Как определить какие продукты реакции образуются
Классификация реакций
Химические реакции – явления, при которых происходит разрыв одних и образование других химических связей. При этом из одних химических веществ получаются другие вещества (или другое вещество).
По изменению состава веществ реакции делятся на
- Реакции, при которых не происходит изменение состава веществ
а) аллотропные превращения: С(графит) С(алмаз); O2 O3 и др.
б) реакции изомеризация: NH4OCN (NH2)2CO; CH3—CH2—CH2—CH3 CH3—CH(CH3)—CH3 и др. - Реакции, при которых происходит изменение состава веществ – все остальные реакции.
а) реакции соединения: S + O2 = SO2; CaO + CO2 = CaCO3; C2H4 + Br2 = C2H4Br2 и т. п.
б) реакции разложения: 2HgO = 2Hg + O2; MgCO3 = MgO + CO2; C2H5OH = C2H4 + H2O и т. п.
в) реакции замещения: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2; CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2; CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl и др.
г) реакции обмена: CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O; NaOH + HCl = NaCl + H2O; HCOOH + CH3OH = HCOOCH3 + H2O; и другие, более сложные, реакции.
По изменению степени окисления реакции делятся на реакции, протекающие с изменением степени окисления (окислительно-восстановительные реакции, ОВР):
Fe0 + S0 = Fe+IIS-II;
и реакции, протекающие без изменения степени окисления.
По изменению внутренней энергии (по тепловому эффекту реакции) реакции делятся на
экзотермические: 2Mg + O2 = 2MgO + Q; CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q (тепло выделяется);
эндотермические: CaCO3 = CaO + CO2 – Q; C8H18 C4H10 + C4H8 – Q. (тепло поглощается)
По направлению протекания реакции делятся на
необратимые: AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO3; CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl (протекают в одном направлении)
обратимые: K2SO3 + H2O KHSO3 + KOH; C2H6 C2H4 + H2 (протекают в двух направлениях)
По числу фаз в реагирующей смеси различают
гомофазные (“гомогенные”) реакции:
2CO(г) + O2(г) = 2CO2(г) (одна фаза – газ);
CH3NH2(р-р)+ HCl(р-р) = [CH3NH3]Cl(р-р) (одна фаза – водный раствор);
гетерофазные (“гетерогенные”) реакции:
Fe(т) + CuSO4(р-р) = Cu(т) + FeSO4(р-р) (три фазы – две твердых фазы и водный раствор);
2Na(т) + 2C2H5OH(ж) = 2C2H5ONa(р-р) + H2(г) (три фазы – газ, твердая фаза и спиртовой раствор).
По участию в реакции катализатора выделяют каталитические реакции:
2H2O2 2H2O + O2; C2H4 + H2 C2H6
Есть и другие классификационные признаки: скорость, механизм и т. д.
Одну и ту же реакцию по разным признакам можно отнести одновременно к нескольким типам, например, реакция
N2 + 3H2 2NH3 + Q
является экзотермической обратимой гомофазной (формально) каталитической окислительно-восстановительной реакцией соединения.
Реакции обмена, протекающие в растворах, идут до конца, если образуется осадок, газ или малодиссоциированное вещество (в частности, вода)
BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 + 2NaCl
NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3 + H2O
KNO2 + HCl = KCl + HNO2 (молекулярное уравнение)
K+ + NO2- + H+ + Cl- = K+ + Cl- + HNO2 (полное ионное уравнение)
H+ + NO2- = HNO2 (сокращенное ионное уравнение, ионное уравнение)
Скорость химической реакции
Скорость гомофазной реакции – отношение изменения концентрации реагента или продукта реакции ко времени протекания реакции.
Скорость гетерофазной реакции – отношение изменения количества вещества реагента или продукта реакции ко времени протекания реакции и площади соприкосновения реагирующих веществ.
Факторы, влияющие на скорость реакции.
1. Природа реагирующих веществ (состав, строение, энергия активации).
Энергия активации (Ea) – избыточная энергия (по сравнению со средней), необходимая для эффективного соударения реагирующих частиц.
Чем меньше энергия активации, тем больше скорость реакции, и, чем больше энергия активации, тем меньше скорость реакции. Например, реакции обмена в водных растворах, приводящие к образованию осадка протекают очень быстро, так как у них очень маленькая энергия активации. Напротив, реакция получения аммиака из водорода и азота при комнатной температуре практически не идет, так как у нее очень большая энергия активации.
2. Температура. При увеличении температуры увеличивается скорость движения молекул и их кинетическая энергия, уменьшается прочность связей, все это приводит к возрастанию числа частиц с энергией, равной энергии активации, и увеличению скорости реакции.
Правило Вант-Гоффа. При увеличении температуры на 10oС скорость реакции возрастает в 2 … 4 раза.
3. Концентрации реагентов. Чем больше концентрация реагирующих веществ, тем чаще их частицы соударяются, и тем больше скорость реакции. Для реакции aA + bB = dD, протекающей в одну стадию, скорость реакции v = k·(cA)a·(cB)b. Это выражение называется законом действующих масс для скорости реакции. Постоянная (при постоянной температуре) величина k называется константой скорости реакции. Она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагентов.
4. Наличие катализатора. Катализаторы – вещества, с помощью которых медленная реакция заменяется последовательностью более быстрых реакций с меньшими энергиями активации. Катализаторы вступают в первую реакцию этой последовательности и выделяются в химически неизменном виде в результате последней реакции. Поэтому создается впечатление, что катализаторы увеличивают скорость реакции.
Ингибиторы – вещества, уменьшающие скорость реакции; ингибиторы, в отличие от катализаторов, в ходе реакции расходуются.
5. Скорость гетерофазных реакций зависит также от состояния поверхности (например, чистая или загрязненная), характера образующихся продуктов (например, растворимы продукты или нет), условий подвода реагентов и отвода продуктов реакции (например, используется перемешивание, или нет).
Если реакция протекает на границе газовой фазы и твёрдой (или жидкой) фазы, то на скорость реакции не влияют концентрации жидких и твердых веществ, а если на границе жидкой и твёрдой фазы, то – концентрации твердых веществ.
Обратимые реакции. Химическое равновесие.
Необратимые реакции протекают только в одном направлении.
Обратимые реакции – реакции, которые при одних и тех же условиях протекают как в прямом, так и в обратном направлениях.
| H2 + I2 | 2HI |
| реагенты | продукт |
Состояние обратимой реакции, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции называется химическим равновесием. Химическое равновесие – равновесие динамическое.
Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии оказать внешнее воздействие, то равновесие в системе сместится в том направлении, в котором происходит частичная компенсация этого воздействия.
- при увеличении концентрации исходного вещества равновесие смещается в сторону продуктов реакции;
- при увеличении концентрации продуктов реакции – в сторону реагентов (исходных веществ);
- при увеличении давления (если в системе есть газы) – в сторону меньшего объема;
- при уменьшении давления – в сторону большего объема;
- при увеличении температуры – в сторону продуктов эндотермической реакции;
- при уменьшении температуры – в сторону продуктов экзотермической реакции.
Введение катализатора не смещает равновесия, но ускоряет его достижение.
Тепловой эффект реакции.
Тепловой эффект реакции – количество теплоты, выделяющейся, или поглощающейся при протекании реакции с теми количествами вещества реагентов, которые задаются коэффициентами в термохимическом уравнении.
| C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O + 1400 кДж | Экзотермическая реакция; |
| CaCO3 = CaO + CO2 – 157 кДж | Эндотермическая реакция. |
Тепловой эффект возникает прежде всего из-за разницы в энергиях связей в исходных веществах (реагентах) и продуктах реакции (см. вышеприведенный рис.)
Теория электролитической диссоциации
Вещества с ионой или сильно полярной ковалентной связью могут при растворении или плавлении (только ионные вещества) образовывать подвижные ионы, за счет которых эти растворы или расплавы проводят электрический ток. Такие вещества называют электролитами, а процесс образования ионов – электролитической диссоциацией.
- Электролитами являются:
- соли NaCl = Na+ + Cl-
- основания NaOH = Na+ + OH-
- кислоты HCl = H+ + Cl-
Сильные электролиты – электролиты, которые в разбавленном растворе полностью (необратимо) диссоциируют.
Слабые электролиты – электролиты, которые в разбавленном растворе диссоциируют частично (обратимо) и незначительно.
Степень диссоциации – отношение числа продиссоциировавших в растворе молекул к числу исходных молекул (молекул, попавших в раствор). Степень диссоциации зависит от концентрации и температуры. С увеличением концентрации степень диссоциации уменьшается, а с увеличением температуры – возрастает.
Некоторые электролиты диссоциируют ступенчато:
H2S H+ + HS- (первая ступень); HS- H+ + S2- (вторая ступень).
Степень диссоциации по второй ступени всегда меньше, чем по первой ступени.
Свойства разбавленных растворов сильных электролитов определяются свойствами ионов, находящихся в этих растворах (молекул в них нет): свойства кислот – свойствами ионов водорода, свойства щелочей – свойствами гидорксидных ионов, свойства солей – свойствами ионов, входящих в состав данной соли.
Источник
Темы кодификатора ЕГЭ: Классификация химических реакций в органической и неорганической химии.
Химические реакции — это такой вид взаимодействия частиц, когда из одних химических веществ получаются другие, отличающиеся от них по свойствам и строению. Вещества, которые вступают в реакцию — реагенты. Вещества, которые образуются в ходе химической реакции — продукты.
В ходе химической реакции разрушаются химические связи, и образуются новые.
В ходе химических реакций не меняются атомы, участвующие в реакции. Меняется только порядок соединения атомов в молекулах. Таким образов, число атомов одного и того же вещества в ходе химической реакции не меняется.
Химические реакции классифицируют по разным признакам. Рассмотрим основные виды классификации химических реакций.
Классификация по числу и составу реагирующих веществ
По составу и числу реагирующих веществ разделяют реакции, протекающие без изменения состава веществ, и реакции, протекающие с изменением состава веществ:
1. Реакции, протекающие без изменения состава веществ (A → B)
К таким реакциям в неорганической химии можно отнести аллотропные переходы простых веществ из одной модификации в другую:
Sромбическая → Sмоноклинная.
В органической химии к таким реакциям относятся реакции изомериза-ции, когда из одного изомера под действием катализатора и внешних факторов получается другой (как правило, структурный изомер).
Например, изомеризация бутана в 2-метилпропан (изобутан):
CH3-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH(CH3)-CH3.
2. Реакции, протекающие с изменением состава
- Реакции соединения (A + B + … → D) — это такие реакции, в которых из двух и более веществ образуется одно новое сложное вещество. В неорганической химии к реакция соединения относятся реакции горения простых веществ, взаимодействие основных оксидов с кислотными и др. В органической химии такие реакции называются реакциями присоединения. Реакции присоединения — это такие реакции, в ходе которых к рассматриваемой органической молекуле присоединяется другая молекула. К реакциям присоединения относятся реакции гидрирования (взаимодействие с водородом), гидратации (присоединение воды), гидрогалогенирования (присоединение галогеноводорода), полимеризация (присоединение молекул друг к другу с образованием длинной цепочки) и др.
Например, гидратация :
CH2=CH2 + H2O → CH3-CH2-OH
- Реакции разложения (A → B + C + …) — это такие реакции, в ходе которых из одной сложной молекулы образуется несколько менее сложных или простых веществ. При этом могут образовываться как простые, так и сложные вещества.
Например, при разложении пероксида водорода:
2H2O2 → 2H2O + O2.
В органической химии разделяют собственно реакции разложения и реакции отщепления. Реакции отщепления (элиминирования) — это такие реакции, в ходе которых происходит отрыв атомов или атомных групп от исходной молекулы при сохранении ее углеродного скелета.
Например, реакция отщепления водорода (дегидрирование) от пропана:
C3H8 → C3H6 + H2
Как правило, в названии таких реакций есть приставка «де». Реакции разложения в органической химии происходят, как правило, с разрывом углеродной цепи.
Например, реакция крекинга бутана (расщепление на более простые молекулы при нагревании или под действием катализатора):
C4H10 → C2H4 + C2H6
- Реакции замещения — это такие реакции, в ходе которых атомы или группы атомов одного вещества замещаются на атомы или группы атомов другого вещества. В неорганической химии эти реакции происходят по схеме:
AB + C = AC + B.
Например, более активные галогены вытесняют менее активные из соединений. Взаимодействие йодида калия с хлором:
2KI + Cl2 → 2KCl + I2.
Замещаться могут как отдельные атомы, так и молекулы.
Например, при сплавлении менее летучие оксиды вытесняют более летучие из солей. Так, нелетучий оксид кремния вытесняет оксид углерода из карбоната натрия при сплавлении:
Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2
В органической химии реакции замещения — это такие реакции, в ходе которых часть органической молекулы замещается на другие частицы. При этом замещенная частица, как правило, соединяется с частью молекулы-заместителя.
Например, реакция хлорирования метана:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
По числу частиц и составу продуктов взаимодействия эта реакция больше похожа на реакцию обмена. Тем не менее, по механизму такая реакция является реакцией замещения.
- Реакции обмена — это такие реакции, в ходе которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями:
AB + CD = AC + BD
К реакциям обмена относятся реакции ионного обмена, протекающие в растворах; реакции, иллюстрирующие кислотно-основные свойства веществ и другие.
Пример реакции обмена в неорганической химии — нейтрализация соляной кислоты щелочью:
NaOH + HCl = NaCl + H2O
Пример реакции обмена в органической химии — щелочной гидролиз хлорэтана:
CH3-CH2-Cl + KOH = CH3-CH2-OH + KCl
Классификация химических реакций по изменению степени окисления элементов, образующих вещества
По изменению степени окисления элементов химические реакции делят на окислительно-восстановительные реакции, и реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.
- Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это реакции, в ходе которых степени окисления веществ изменяются. При этом происходит обмен электронами.
В неорганической химии к таким реакциям относятся, как правило, реакции разложения, замещения, соединения, и все реакции, идущие с участием простых веществ. Для уравнивания ОВР используют метод электронного баланса (количество отданных электронов должно быть равно количеству полученных) или метод электронно-ионного баланса.
В органической химии разделяют реакции окисления и восстановления, в зависимости от того, что происходит с органической молекулой.
Реакции окисления в органической химии — это реакции, в ходе которых уменьшается число атомов водорода или увеличивается число атомов кислорода в исходной органической молекуле.
Например, окисление этанола под действием оксида меди:
CH3-CH2-OH + CuO → CH3-CH=O + H2O + Cu
Реакции восстановления в органической химии — это реакции, в ходе которых увеличивается число атомов водорода или уменьшается число атомов кислорода в органической молекуле.
Например, восстановление уксусного альдегида водородом:
CH3-CH=O + H2 → CH3-CH2-OH
- Протолитические реакции и реакции обмена — это такие реакции, в ходе которые степени окисления атомов не изменяются.
Например, нейтрализация едкого натра азотной кислотой:
NaOH + HNO3 = H2O + NaNO3
Классификация реакций по тепловому эффекту
По тепловому эффекту реакции разделяют на экзотермические и эндотермические.
Экзотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся выделением энергии в форме теплоты (+Q). К таким реакциям относятся почти все реакции соединения.
Исключения — реакция азота с кислородом с образованием оксида азота (II) — эндотермическая:
N2 + O2 = 2NO – Q
Реакция газообразного водорода с твердым йодом также эндотермическая:
H2 + I2 = 2HI – Q
Экзотермические реакции, в ходе которых выделяется свет, называют реакциями горения.
Например, горение метана:
CH4 + O2 = CO2 + H2O
Также экзотермическими являются:
- реакции щелочных металлов с водой;
- реакции, сопровождающиеся взрывом;
- разложение дихромата аммония («вулканчик»);
- образование аммиака: N2 + 3H2 = 2NH3;
- реакции нейтрализации;
- синтез метанола;
- алюмотермия;
- реакции, в которых из менее стабильных веществ образуются более стабильные;
- в органической химии — реакции присоединения, реакции горения, окисления и др.
Эндотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся поглощением энергии в форме теплоты (— Q). Как правило, с поглощением теплоты идет большинство реакций разложения (реакции, требующие длительного нагревания).
Например, разложение известняка:
CaCO3 → CaO + CO2 – Q
Также эндотермическими являются:
- реакции гидролиза;
- реакции, идущие только при нагревании;
- реакции, протекающие только при очень высоких температурах или под действием электрического разряда.
Например, превращение кислорода в озон:
3O2 = 2O3 — Q
В органической химии с поглощением теплоты идут реакции разложения. Например, крекинг пентана:
C5H12 → C3H6 + C2H6 – Q.
Классификация химических реакций по агрегатному состоянию реагирующих веществ (по фазовому составу)
Вещества могут существовать в трех основных агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. По фазовому состоянию разделяют реакции гомогенные и гетерогенные.
- Гомогенные реакции — это такие реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в одной фазе, и столкновение реагирующих частиц происходит во всем объеме реакционной смеси. К гомогенным реакциям относят взаимодействия жидкость-жидкость и газ-газ.
Например, окисление сернистого газа:
2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г)
- Гетерогенные реакции — это реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в разных фазах. При этом столкновение реагирующих частиц происходит только на границе соприкосновения фаз. К таким реакциям относятся взаимодействия газ-жидкость, газ-твердая фаза, твердая-твердая, и твердая фаза — жидкость.
Например, взаимодействие углекислого газа и гидроксида кальция:
CO2(г) + Ca(OH)2(р-р) = CaCO3(тв) + H2O
Для классификации реакций по фазовому состоянию полезно уметь определять фазовые состояния веществ. Это достаточно легко сделать, используя знания о строении вещества, в частности, о типах кристаллической решетки.
Вещества с ионной, атомной или металлической кристаллической решеткой, как правило твердые при обычных условиях; вещества с молекулярной решеткой, как правило, жидкости или газы при обычных условиях.
Обратите внимание, что при нагревании или охлаждении вещества могут переходить из одного фазового состояния в другое. В таком случае необходимо ориентироваться на условия проведения конкретной реакции и физические свойства вещества.
Например, получение синтез-газа происходит при очень высоких температурах, при которых вода — пар:
CH4(г) + H2O(г) = CO(г) + 3H2(г)
Таким образом, паровая конверсия метана — гомогенная реакция.
Классификация химических реакций по участию катализатора
Катализатор — это такое вещество, которое ускоряет реакцию, но не входит в состав продуктов реакции. Катализатор участвует в реакции, но практичсеки не расходуется в ходе реакции. Условно схему действия катализатора К при взаимодействии веществ A + B можно изобразить так: A + K = AK; AK + B = AB + K.
В зависимости от наличия катализатора различают каталитические и некаталитические реакции.
- Каталитические реакции — это реакции, которые идут с участием катализаторов. Например, разложение бертолетовой соли: 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- Некаталитические реакции — это реакции, которые идут без участия катализатора. Например, горение этана: 2C2H6 + 5O2 = 2CO2 + 6H2O.
Все реакции, протекающие с участием в клетках живых организмов, протекают с участием особых белковых катализаторов — ферментов. Такие реакции называют ферментативными.
Более подробно механизм действия и функции катализаторов рассматриваются в отдельной статье.
Классификация реакций по способности протекать в обратном направлении
Обратимые реакции — это реакции, которые могут протекать и в прямом, и в и обратном направлении, т.е. когда при данных условиях продукты реакции могут взаимодействовать друг с другом. К обратимым реакциям относятся большинство гомогенных реакций, этерификация; реакции гидролиза; гидрирование-дегидрирование, гидратация-дегидратация; получение аммиака из простых веществ, окисление сернистого газа, получение галогеноводородов (кроме фтороводорода) и сероводорода; синтез метанола; получение и разложение карбонатов и гидрокарбонатов, и т.д.
Необратимые реакции — это реакции, которые протекают преимущественно в одном направлении, т.е. продукты реакции не могут взаимодействовать друг с другом при данных условиях. Примеры необратимых реакций: горение; реакции, идущие со взрывом; реакции, идущие с образованием газа, осадка или воды в растворах; растворение щелочных металлов в воде; и др.
Источник